Spar平臺垂蕩-縱搖耦合非線性運(yùn)動的數(shù)值模擬.pdf

1、Spar平臺用于深海采油、鉆井及作業(yè)。由于平臺吃水較深，平臺主體所受垂向波浪載荷和垂蕩運(yùn)動幅值均較小，一般海況下，表現(xiàn)出良好的運(yùn)動性能。然而當(dāng)波浪周期較長或者遭遇涌浪環(huán)境時，可能激發(fā)起垂蕩-縱搖耦合不穩(wěn)定運(yùn)動。本文研究的主要目標(biāo)是找出這些臨界波浪周期，揭示平臺失穩(wěn)的規(guī)律，為Spar平臺的設(shè)計和海上安全作業(yè)提供指導(dǎo)。 本文建立了經(jīng)典式Spar平臺在規(guī)則波作用下的垂蕩-縱搖非線性方程，考慮二自由度耦合運(yùn)動時回復(fù)力矩的非線性，采用一階

2、繞射理論和一階輻射理論求解作用于平臺主體上的水動力載荷，在數(shù)值計算時，阻尼的選取來自于算例系列模型試驗，參考了工程經(jīng)驗值。在Matlab7.1平臺上，編制了四階龍格庫塔數(shù)值算法，用于計算垂蕩，縱搖耦合非線性運(yùn)動及穩(wěn)定性分析。整個程序代碼分為兩個模塊即水動力載荷程序模塊和垂蕩，縱搖二自由度耦合運(yùn)動模塊。 在較大范圍的波浪參數(shù)條件下，數(shù)值模擬了Spar平臺垂蕩一縱搖耦合非線性運(yùn)動，研究發(fā)現(xiàn)平臺發(fā)生失穩(wěn)集中在下面兩種情況：當(dāng)Spar平

3、臺的垂蕩固有周期是縱搖固有周期的一半時，波浪激勵周期與垂蕩固有周期相等或者接近，大垂蕩運(yùn)動引起耦合的縱搖不穩(wěn)定運(yùn)動。潛在的機(jī)理是大幅值的垂蕩運(yùn)動導(dǎo)致平臺的瞬時初穩(wěn)性高為負(fù)，垂蕩能量向縱搖滲透導(dǎo)致縱搖發(fā)生馬休不穩(wěn)定運(yùn)動。Spar平臺發(fā)生失穩(wěn)另一個臨界波浪周期在20s左右，對任何Spar平臺都會發(fā)生垂蕩-縱搖耦合非線性運(yùn)動的相互放大效應(yīng)。引入垂蕩包絡(luò)線概念，當(dāng)垂蕩運(yùn)動的包絡(luò)線周期與縱搖的固有周期接近時，會誘發(fā)縱搖不穩(wěn)定運(yùn)動的發(fā)生。縱搖運(yùn)動對

4、垂蕩運(yùn)動的耦合影響會引起垂蕩共振運(yùn)動，這種相互放大效應(yīng)表現(xiàn)在模型試驗上是一種“舞動”現(xiàn)象，垂蕩-縱搖運(yùn)動幅值同步增加，顯著影響了平臺的不穩(wěn)定性，在以往的研究中，忽略了對這種現(xiàn)象的重視，更值得引起我們的注意。 論文的研究結(jié)果顯示：平臺的初穩(wěn)性高、垂蕩阻尼和縱搖阻尼對Spar平臺的不穩(wěn)定運(yùn)動及控制起著十分重要的作用。 利用MOSES軟件編程模擬Spar平臺在規(guī)則波作用下的垂蕩-縱搖耦合不穩(wěn)定運(yùn)動，考慮了系纜對平臺的影響，與數(shù)